Les transitions de phase dans différents états de la matière, telles que la condensation de gaz en liquides ou la transition d'un métal normal à un état supraconducteur, peuvent être décrites à l'aide de la théorie de rupture de symétrie de Ginzburg-Landau. Cependant, une telle théorie n'est plus valable pour les transitions de phase dans la limite bidimensionnelle.
Les transitions de phase bidimensionnelles sont provoquées par des défauts topologiques connus sous le nom de transitions de phase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) (Kosterlitz et Thouless ont reçu le prix Nobel de physique en 2016 pour cette découverte). Les défauts topologiques dans les systèmes supraconducteurs sont appelés vortex. Pour un système supraconducteur bidimensionnel infiniment grand à basse température, les paires vortex-antivortex avec un tourbillon opposé sont liées ensemble et le système est dans un état supraconducteur stable.
À mesure que la température augmente, les paires vortex-antivortex deviennent instables en raison des fluctuations thermiques, et l'attraction entre vortex et antivortex au sein des paires s'affaiblit progressivement jusqu'à ce qu'elles se séparent en vortex et antivortex libres. Ce processus conduit à la transition de phase BKT.
La signature incontestable de cette transition est un saut dans la densité du superfluide à la température de transition. Cependant, la taille caractéristique des tourbillons dans la limite bidimensionnelle est nettement plus grande que celle dans l’espace tridimensionnel. Lorsque la taille de l’échantillon s’approche de la taille caractéristique des vortex (ou lorsque l’échantillon présente des inhomogénéités), le saut de densité superfluide est atténué. Cela rend très difficile la détermination de la transition de phase BKT dans les supraconducteurs bidimensionnels dans des échantillons réalistes.
Supraconducteurs cuprates à haute température, tels que Bi2 Sr2 CaCu2 O8+δ (Bi2212), avec une structure en couches, ont été largement étudiés en tant que supraconducteurs non conventionnels. Le lien entre les corrélations de charges et la supraconductivité dans ces matériaux reste une énigme majeure en physique de la matière condensée. La monocouche Bi2212 a été fabriquée avec succès récemment. Mais les techniques de mesure conventionnelles n'ont détecté aucun signe de transition de phase BKT de ce supraconducteur bidimensionnel.
Au lieu de cela, la monocouche présente des caractéristiques très similaires à celles des matériaux en vrac, notamment la température de transition, le pseudogap, l'onde de densité de charge, etc. Cela mystifie encore davantage la relation entre les transitions de phase supraconductrices et la corrélation de charges dans ce système.
Par conséquent, la recherche de preuves de la transition de phase BKT dans la monocouche Bi2212 et la clarification des différences et des connexions entre les transitions de phase supraconductrices à travers la dimensionnalité sont importantes pour comprendre ce matériau.
Le département de physique de l'université de Fudan, en collaboration avec les équipes de recherche dirigées par les professeurs Yihua Wang, Yuanbo Zhang et Yang Qi, a utilisé la microscopie SQUID à balayage pour étudier la réponse magnétique locale du Bi2212, des monocouches aux couches épaisses via la transition de phase supraconductrice. Dans les monocouches, un pic paramagnétique positif dans l'aimantation apparaît dans la plage de température inférieure à la température critique, et la position du pic oscille avec le flux magnétique traversant l'échantillon en unités du quantum de flux.
Ce phénomène, connu sous le nom d'effet Meissner paramagnétique, se produit dans l'état supraconducteur présentant l'effet Meissner. De plus, ils ont constaté que la largeur du pic paramagnétique augmente avec la température, persistant jusqu’à la température de transition. Ces caractéristiques indiquent une cohérence de phase stable dans la région critique et un effet d'écran plasma progressivement croissant en raison de la séparation des paires vortex-antivortex, cohérent avec la transition de phase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) induite par les excitations vortex.
L'apparition de pics de susceptibilité paramagnétique dans le Bi2212 multicouche et en couche épaisse suggère que la transition supraconductrice du Bi2212 sous-dopé est une transition BKT généralisée avec couplage intercouche. Ce résultat identifie non seulement une caractéristique magnétique importante de la transition BKT dans les systèmes finis, mais clarifie également la relation homologue entre les transitions supraconductrices du Bi2212 monocouche et massif, fournissant des indices pour comprendre le pseudogap dans la région sous-dopée des supraconducteurs cuprates.
Ce travail est publié dans la National Science Review sous le titre "Effet Meissner paramagnétique oscillant et transition Berezinskii-Kosterlitz-Thouless dans Bi2 sous-dopé Sr2 CaCu2 O8+δ ".
